Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprensione:
Durante il corso lo studente apprenderà le nozioni fondamentali della Meccanica dei fluidi e svilupperà la capacità di comprendere e analizzare criticamente la ragione fisica di fenomeni riguardanti fluidi in quiete o in moto in sistemi naturali o artificiali. Il metodo di indagine è quello della modellistica matematica.
Competenze:
Lo studente maturerà la capacità di applicare le nozioni di base dell'Idraulica a problematiche elementari tipiche dell'ingegneria civile e ambientale.
Autonomia di giudizio:
Lo studente acquisirà gli strumenti di base e svilupperà una capacità critica utili per analizzare ed affrontare in maniera autonoma problemi elementari di Idraulica.
Capacità comunicative:
Al termine del corso lo studente sarà in grado di esporre le conoscenze acquisite con adeguata padronanza e buona proprietà di linguaggio.
Capacità di apprendimento:
Al termine del corso lo studente avrà consolidato conoscenze e competenze di base nell'ambito della materia idraulica che gli consentiranno di approfondire successivamente le conoscenze teoriche e tecniche utili per la progettazione e la verifica di semplici opere di ingegneria idraulica.
Prerequisiti
E’ utile aver frequentato preliminarmente i corsi di Analisi matematica, Geometria, Fisica generale e Meccanica razionale.
Contenuti dell'insegnamento
Introduzione all’idraulica, Statica dei fluidi, Cinematica dei fluidi, Dinamica dei fluidi, Analisi dimensionale e similitudine, Correnti in pressione, Correnti a superficie libera.
Programma dettagliato delle lezioni disponibile su Elly.
Durante il corso verranno svolte esercitazioni numeriche finalizzate a consolidare la padronanza dei principi fondamentali della materia e ad acquisire la capacità di quantificare le grandezze caratteristiche di un problema.
Programma esteso
Capitolo 1. Introduzione all’idraulica
Lezione No 1: 1.1 Generalità sui fluidi, 1.2 Il concetto di fluido come continuo, 1.3 Dimensioni, unità di misura e grandezze fondamentali e derivate
Lezione No 2: 1.4 Tensioni in un fluido, 1.4.1 Il teorema del tetraedro di Cauchy, 1.4.2 Considerazioni sul teorema del tetraedro di Cauchy, 1.4.3 Equilibrio alla rotazione del tetraedro di Cauchy, 1.4.4 Corollario del teorema del tetraedro di Cauchy per sistema isotropo.
Lezione No 3: 1.5 Comprimibilità, densità ed espansione termica, 1.6 Tensione superficiale, 1.7 Viscosità, 1.8 Altre proprietà dei fluidi.
Capitolo 2. Statica dei fluidi
Lezione No 4: 2.1 Equazione indefinita della statica dei fluidi, 2.2 Equazione globale della statica dei fluidi.
Lezione No 5: 2.3 Legge di Stevino e considerazioni sulle pressioni, 2.4 Sulla distribuzione delle pressioni.
Lezione No 6: 2.6 Spinte su superfici piane, 2.7 Spinte su superfici curve, 2.8 Galleggiamento, 2.9 Paradosso idrostatico.
Lezione No 7: 2.10 Misurazione della pressione, 2.11 Fluidi di piccolo peso specifico (cenni), 2.12 Formula di Mariotte, 2.12 Equilibrio relativo (cenni)
Capitolo 3. Cinematica dei fluidi
Lezione No 8: 3.1 Regimi di moto, 3.2 Velocità e accelerazione.
Lezione No 9: 3.3 La visualizzazione di un campo di moto, 3.4 Tubi di flusso, 3.5 Tipi di moto, 3.6 Confronto tra regimi e tipi di moto.
Lezione No 10: Appendice C. Teorema del trasporto di Reynolds e dispense, 3.9 Equazione indefinita di continuità, 3.10 Equazione globale di continuità per volumi di controllo fissi nello spazio, 3.11 Equazione di continuità applicata alle correnti.
Capitolo 4. Dinamica dei fluidi
Lezione No 11: 4.1 Equazione indefinita del moto, 4.2 Legge di viscosità di Stokes (cenni), 4.3 Equazione di Eulero e di Navier Stokes.
Lezione No 12: 4.4 Tipiche condizioni al contorno dei flussi, 4.5 Equazione globale dell’equilibrio dinamico, 4.6 Coefficiente di ragguaglio della quantità di moto.
Lezione No 13: 4.7 Teorema di Bernoulli, 4.8 Distribuzione della pressione e correnti gradualmente variate, 4.9 Significato geometrico ed energetico del teorema di Bernoulli.
Lezione No 14: 4.11 Processi di efflusso, 4.12 Altre applicazioni del teorema di Bernoulli, 4.14 Estensione alle correnti del teorema di Bernoulli e potenza di una corrente, 4.15 Alcune applicazioni delle estensioni del teorema di Bernoulli ai moti vari e alle correnti (Venturimetro), 4.16 Estensione ai fluidi reali.
Lezione No 15: 4.17 Scambio di energia tra una corrente e una macchina, 4.18 Applicazioni.
Capitolo 5. Analisi dimensionale e similitudine
Lezione No 16: 5.1 Il principio dell’omogeneità dimensionale, 5.2 Alcune classiche equazioni dell’ingegneria (cenni), 5.3 Il teorema Π (definizione), 5.4 Tipici numeri indici nell’idraulica (cenni), 5.5 L’analisi dimensionale nella modellistica fisica (cenni), 5.6 Similitudine e autosimilitudine (cenni).
Capitolo 6. Correnti in pressione
Lezione No 17: 6.2 Azione di trascinamento di una corrente, 6.3 Indice di resistenza, 6.4 Analisi del moto laminare in condotti cilindrici con sezioni di vario tipo (solo condotte circolari e piastre piane parallele).
Lezione No 18: 6.5 Indice di resistenza nel moto laminare (condotta circolare e generica), 6.6 Cenni sulla turbolenza, 6.9 Moto medio turbolento in un condotto a sezione circolare, 6.11 Viscosità turbolenta e lunghezza di mescolamento.
Lezione No 19: 6.13 Natura composita dello strato limite turbolento, 6.14 Distribuzioni di velocità medie in fluidi incomprimibili su superfici lisce (Substrato viscoso, Zona completamente turbolenta della regione interna, Zona di transizione (strato buffer) della regione interna, Regione esterna), 6.15 Distribuzioni di velocità medie in flussi turbolenti incomprimibili su superfici scabre con gradiente nullo di pressione, La scabrezza, 6.16 Distribuzioni di velocità medie in flussi turbolenti incomprimibili in condotti cilindrici circolari lisci, 6.17 Distribuzioni di velocità medie in flussi turbolenti incomprimibili in condotti cilindrici circolari scabri (Moto assolutamente turbolento, Moto turbolento in transizione).
Lezione No 20: 6.19 Leggi di resistenza nei condotti in presenza di moto turbolento. Caso dei condotti circolari, 6.20 Le formule pratiche, 6.24 Perdite di carico localizzate.
Lezione No 21: 6.25 Problemi delle lunghe condotte, Verifica di una condotta in moto laminare, Condotte in serie e in parallelo, 6.26 Condotta con diametro costante con erogazione uniforme lungo il percorso.
Lezione No 22: 6.27 Condotta con impianto di sollevamento, 6.29 Possibili tracciati altimetrici delle condotte, Come evidenziare la linea piezometrica relativa e la linea piezometrica assoluta
Linea dei carichi idrostatici relativi, Caso in cui un tratto della condotta sia al di sopra della linea piezometrica relativa, Caso in cui un tratto della condotta sia al di sopra della linea piezometrica relativa e in corrispondenza del punto di massimo viene installato uno sfiato libero, Sfiati e scarichi, Caso in cui un tratto della condotta sia al di sopra della linea piezometrica relativa e della linea dei carichi idrostatici relativi
Caso in cui un tratto della condotta sia al di sopra della linea piezometrica relativa e della linea dei carichi idrostatici relativi e si volesse installare uno sfiato in corrispondenza del punto di massimo, Caso in cui un tratto della condotta superi di un valore maggiore di patm/ la retta congiungente le quote piezometriche dei nodi di monte e di valle, Caso in cui un tratto della condotta superi di un valore maggiore di patm/ la retta congiungente le quote piezometriche dei nodi di monte e di valle e la linea dei carichi idrostatici relativi, Caso in cui un tratto della condotta superi di un valore maggiore di patm/ la retta congiungente le quote piezometriche dei nodi di monte e di valle e in corrispondenza del massimo di quello stesso tratto della condotta ci fosse uno sfiato che supera la linea dei carichi idrostatici relativi, Caso in cui un tratto della condotta superi la linea dei carichi idrostatici assoluti, 6.30 Le reti chiuse.
Capitolo 8. Correnti a superficie libera
Lezione No 23: 8.1 Classificazione dei moti a pelo libero, 8.2 Classificazione dei moti nei canali, Alcune prime riflessioni sul moto vario nei canali, 8.3 Leggi di resistenza per i canali e caso del moto uniforme.
Lezione No 24: 8.5 Energia specifica valutata rispetto al fondo della sezione del canale, 8.6 Alvei a debole e forte pendenza, 8.7 Carattere cinematico di una corrente: velocità delle onde di superficie.
Lezione No 25: 8.8 Moto gradualmente variato, 8.9 Tracciamento dei profili di corrente gradualmente variata, Regole per il tracciamento qualitativo dei profili di corrente gradualmente variata.
Lezione No 26: 8.10 Il risalto idraulico, Concetto e calcolo della spinta totale, Riduzione della pendenza del fondo di un alveo da i > ic a i < ic, 8.11 Tracciamento del profilo di moto permanente per integrazione
numerica. 8.12 Esempi applicativi, Passaggio attraverso una paratia piana, Cambiamento della scabrezza.
Lezione No 27: Passaggio di una corrente su una soglia di fondo, Passaggio tra le pile di un ponte.
Bibliografia
Testi consigliati
Mossa, Petrillo, Idraulica, CEI, 2013
(disponibile presso la Biblioteca di Ingegneria e Architettura – 2 copie di cui 1 ammessa al prestito)
Citrini D., Noseda G. (1987). Idraulica, CEA, Milano. (Disponibile presso la Biblioteca di Ingegneria e Architettura – 4 copie di cui 3 ammesse al prestito)
Testi di approfondimento
Marchi E., Rubatta A. (1981). Meccanica dei fluidi, UTET, Torino. (Disponibile presso la Biblioteca di Ingegneria e Architettura – 2 copie di cui 1 ammessa al prestito)
White F.M. (1999). Fluid mechanics, McGraw-Hill, Singapore. (Disponibile presso la Biblioteca di Ingegneria e Architettura – 4 copie di cui 2 ammesse al prestito)
Ghetti A. (1980), Idraulica, Libreria internazionale Cortina, Padova. (Disponibile presso la Biblioteca di Ingegneria e Architettura – 3 copie di cui 2 ammesse al prestito)
Testi per esercitazioni
Alfonsi G., Orsi E. (1984). Problemi di Idraulica e Meccanica dei fluidi, CEA, Milano. (Disponibile presso la Biblioteca di Ingegneria e Architettura – 2 copie di cui 1 ammessa al prestito)
Longo S., Tanda M.G. (2009). Esercizi di Idraulica e di Meccanica dei fluidi, Springer, Milano. (Disponibile presso la Biblioteca di Ingegneria e Architettura – 2 copie di cui 1 ammessa al prestito)
Ulteriore materiale didattico
Diapositive proiettate durante le lezioni e materiale didattico (scaricabili dalla pagina web del corso sul portale Elly)
Metodi didattici
Il corso si articola principalmente in lezioni frontali alla lavagna (con l'ausilio eventuale della proiezione di diapositive) per la presentazione degli aspetti teorici e dei temi di approfondimento. Nel corso delle esercitazioni vengono affrontati numericamente problemi di interesse applicativo. Tipicamente è prevista una visita tecnica ad un'opera di ingegneria idraulica affinché lo studente maturi una consapevolezza diretta della valenza applicativa della materia.
Modalità verifica apprendimento
L'esame consiste di una verifica scritta seguita da una prova orale. Il superamento della prova scritta è condizione necessaria per l'accesso al colloquio. Le due prove devono essere sostenute nel medesimo appello d'esame.
Criteri di valutazione:
Verifica scritta 50% comprendente:
- Risoluzione di n.3 esercizi (conoscenza/competenza)
Verifica orale 50% comprendente:
- Domande teoriche (conoscenza)
- Applicazioni della teoria/esercizi (competenza/autonomia di giudizio)
- Proprietà di esposizione (capacità comunicativa)
